剖開蘋果A16芯片，內部細節曝光

半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自eetimejp，謝謝。

近日，日本媒體拆解eetimejp拆解分析了2022年9月16日發佈的蘋果最新智能手機「iPhone 14 Pro」的處理器「A16 Bionic」，以下為文章內容。

圖1為iPhone 14 Pro的包裝盒，拆下主機顯示屏的狀態，以及主板的處理器側（兩層結構）。NAND 存儲內存和 Wi-Fi/藍牙芯片安裝在處理器板的另一側。處理器側主要佈置了A16 Bionic和成對優化功率的電源IC。

圖1：「iPhone 14 Pro」包裝盒和顯示屏移除

A16 Bionic有Apple標誌，但電源IC也有Apple標誌。除了數字處理器，Apple 還設計和開發由模擬電路組成的電源 IC，並將其用作芯片組。

為許多智能手機（高通、聯發科、三星電子、紫光展鋭等）提供平臺的半導體制造商也在將處理器和電源 IC 作為一組進行優化。Apple 的 A16 Bionic 具有與專業半導體制造商相同的結構，因為它結合了數字和模擬，以提高電源性能和算術性能。

這次也用到的小容量DRAM和硅電容。

圖 2顯示了從主板上拆下的 A16 Bionic。中間有A16標記的封裝MOLD已被移除，因此可以看到DRAM。兩組 DRAM 排列在字母 A16 的下方。每一層都是雙層的，字母下面總共嵌入了四層DRAM硅。

圖 2：A16 bionic的封裝

DRAM 為 LPDDR5 ，每顆的容量為1.5GB，因此總量為 6GB。目前，許多安卓智能手機都配備了 8 到 12 GB 的 LPDDR5，但蘋果的容量很小，只有 6 GB。不過蘋果已經設計了各種設備，這樣他們有足夠的能力然該設備在容量很小的情況下也可以在沒有壓力的情況下運行。

DRAM 上方和下方是黑色細長板。它是所謂的沒有晶體管或佈線的虛擬硅。DRAM存在的區域幾乎是封裝的中心。由於頂部和底部沒有硅，因此高度不同。因此，通過插入虛擬硅，可以消除臺階並增強封裝。

右側是從基板上取下封裝后的封裝背面。除了端子，背面的一些地方還嵌入了八個黑色的小硅片。是改善電源特性的硅電容器。由於蘋果從「A11 Bionic」中採用了它，因此它是已經在A系列中使用了六年的成熟技術之一。「M系列」處理器中也使用了許多硅電容器，「MacBook」中也安裝了這些硅電容器。

通過在 CPU 和 GPU 等高速、大型運算單元的正上方放置電容器，具有改善阻抗和電阻的特性的效果。除了硅電容器外，還塗有凝膠以防止在看起來黑色的區域散熱。已經針對封裝採取了許多對策，以應對影響半導體運行的噪聲和熱量等問題。

圖 3顯示了取出的 A16 仿生處理器芯片。這是圖 2 中 DRAM 的背面。由於處理器直接存在於 DRAM 后面，因此距離幾乎是最短的。（最短的方法是微凸塊方法，其中 DRAM 和處理器在電路側相互面對。這在 2010 年左右被日本製造商東芝和索尼使用。）

圖3：剖開的A16 Bionic處理器

左側顯示了硅電容器直接安裝在處理器硅上方的狀態。移除硅電容器只留下處理器硅。在中間，處理器硅從基板（玻璃環氧樹脂）上取下並清洗。處理器芯片採用多層佈線，看不到內部電路。去掉了佈線層的那個在右邊。我們拍攝的照片非常清晰，但在本文中，我們對它們進行了模糊處理。如果是一張清晰的圖，SRAM的容量和大小，CPU的結構（L1的大小）等就很容易理解了。

從硅的含量來看，很明顯A16 Bionic的設計非常合理和精確，幾乎沒有縫隙。我們分析過很多廠商的處理器，但可以説蘋果的設計能力還是一流的。

圖 4對比了 2021 年「iPhone 13」系列蘋果產品中使用的「A15 Bionic」的 CPU 部分和 2022 年 iPhone 14 Pro 中使用的 A16 Bionic 的 CPU 部分。A15 Bionic 使用了臺積電的5nm 工藝節點，A16 Bionic 有 4nm 工藝節點（5nm 半節點，是 5nm 晶體管性能的改進版），但 CPU 配置幾乎相同。

圖 4：比較 A15 Bionic 和 A16 Bionic 的 CPU 部分

A15 和 A16 相同之處在於它們有 2 個高性能 CPU 和 4 個高效 CPU，共 6 個內核。但架構版本略有不同，CPU的二級緩存容量增加也有差異。結合晶體管性能的提升，工作頻率從3230MHz提升至3460MHz，提升了約7%。總的來説，A16 Bionic 是一款性能比 A15 Bionic 更高的處理器！

圖 5顯示A16 Bionic 的內部。從左側看，帶有 A16 標記的封裝頂部，其下有 4 塊 DRAM 硅，用於加固和扁平化的虛擬硅，從右側看封裝的背面 (InFO)，用於改善特性的硅電容器。

圖 5：A16 Bionic 封裝內部

三維硅分層也實現了封裝內的最小化和改進的特性。封裝中有 15 個silicon。高通的「驍龍 8 Gen 1」和聯發科的「天璣 9000」也為實現特性和最短距離做出了很多努力，但蘋果的處理器，將所有東西嵌入到一個封裝中，脫穎而出，已經成為一個東西。高通和聯發科使用了一種名為 POP（Package On Package）的技術，將封裝放在封裝之上，因此處理器端的封裝中只有一個硅片。

表 1總結了過去六年的 Apple A 系列。根據蘋果公司的公告，A16 Bionic 擁有 160 億個晶體管。它比六年前的 A11 Bionic 大約少四倍。它幾乎是四年前 A13 Bionic 的兩倍。很明顯，可以安裝在一個硅上的電路規模由於小型化而增加。

表 1：過去六年蘋果「A 系列」處理器的總結

同時，晶體管的開關速度因小型化而提高，因此 CPU 頻率在 6 年內提高了約 1 GHz。雖然硅尺寸（未報告）略有波動，但蘋果處理器的密度在過去六年中也穩步增加。。

表 2是 2022 年發佈的高端智能手機使用的典型移動處理器列表。

2022 年高端處理器將全部採用 4nm。三星電子（Samsung）4nm和臺積電4nm。有四家處理器製造商：高通、聯發科、三星和蘋果。頻率最高的處理器是蘋果的 A16 Bionic。高通的驍龍 8 Gen1/8+ Gen 1 是三星和臺積電生產的，對比效果非常好！

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